CN112968353A - 一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统及其驱动方法 - Google Patents

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CN112968353A CN202110150524.9A CN202110150524A CN112968353A CN 112968353 A CN112968353 A CN 112968353A CN 202110150524 A CN202110150524 A CN 202110150524A CN 112968353 A CN112968353 A CN 112968353A
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Abstract

本发明公开了一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统及其驱动方法，属于光电技术领域；该驱动系统包括：人机交互模块，控制板，驱动板，AC‑DC电源模块；驱动系统硬件设计采用上位机、控制、驱动、供电分开的模块化设计以提高驱动系统的灵活性和可集成度；驱动系统程序基于嵌入式实时操作系统μCOS‑III开发以提高实时性和扩展性，输出校正部分采用遗传算法优化的增量式PID算法减少系统的超调量和到达动态平衡的时间；驱动系统具有完备的保护措施，如输入限幅检测，软启动和关闭，驱动回路检测，过温保护等功能，确保了泵浦源激光器的稳定运行。该技术应用于飞秒光纤激光器中，可同时为五路泵浦源激光器提供高精度、高稳定度、高灵活性的恒温控制和恒流驱动。

Description

一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统及其驱动方法
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统及其驱动方法。
背景技术
超短脉冲激光具有时域脉宽极窄、频域光谱较宽的特点，在光纤通信、光电传感、非线性光学、生物医学、工业加工等领域有着广阔的应用前景。半导体激光器作为固体激光器和光纤激光器的主要泵浦源，其输出稳定性直接决定了整机的输出性能。在用作光纤激光器泵浦源时，半导体激光器具有易集成、效率高、热耗散小等优越性。但是，除了受到电源电流影响外，半导体激光器的输出功率还受外微分量子效率ηD、阈值电流Ith和温度变化的影响，同时，温度的变化也会引起半导体激光器的输出波长漂移。通常情况下，研究人员采用多片半导体制冷器为驱动电源和光学设备降温，以提高半导体激光器波的稳定性，减小温漂带来的影响。但是，这种技术方案既丧失了小型化和低功耗的优势，又难以克服辅助设备本身所存在的温度漂移问题。为充分发挥半导体激光器的应用优势，我们有必要为其设计高精度、高稳定度、高灵活性和易集成的驱动系统。目前的商用数字电源存在体积大、灵活性差、不易集成等缺点，模拟电源又存在精度和稳定度低的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于嵌入式系统和遗传算法优化的增量式PID算法的用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统及其驱动方法，采用全数字化的系统架构，为泵浦源激光器提供多通道高精度、高稳定度、安全的恒温控制和恒流驱动。
本发明采取如下技术方案：
一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统，包括人机交互模块1、控制板2、驱动板3及AC-DC电源模块4；所述人机交互模块1通过485通讯接口16与控制板2相连，驱动板3通过控制接口17与控制板2相连，AC-DC电源模块4分别与人机交互模块1、控制板2及驱动板3相连；
所述控制板2上集成有主控模块5、通讯模块6、显示模块7、存储模块8、地址设置模块9、数据采集模块10、电流设置模块11、温度设置模块12及矩阵键盘13；
所述驱动板3上集成有电流输出模块14及TEC驱动模块15；
所述人机交互模块1和控制板2上的矩阵键盘13用于用户输入数据；通讯模块6实现TTL电平和RS-485电平之间的转换，用于人机交互模块1和控制板2之间的通讯；主控模块5接收到用户输入数据之后，针对不同的输出电流和温度控制要求，主控模块5控制电流设置模块11和温度设置模块12输出电压控制电流输出模块14和TEC驱动模块15，电流输出模块14和TEC驱动模块15为泵浦源激光器提供驱动电流和温度控制，数据采集模块10采集当前实际电流值和温度值，反馈到主控模块5进行算法校正，存储模块8用于存储电流和温度的历史数据；人机交互模块1和控制板2上的显示模块7，用于显示设置的电流值、温度值以及当前的电流值和温度值；通过地址设置模块9设置控制板2为不同的地址，用于完成485接口16下的控制板2组网，理论上控制板2数量范围值为1～256块，可控制5～1280块驱动板3。若主控模块5检测到驱动回路短路或断路，系统关闭输出，人机交互模块1显示报警信息。
进一步地，所述人机交互模块1是带有RS485串行通讯接口的电脑或工控屏。
进一步地，所述控制板2为PCB电路板，主控模块5为ARM和FPGA的双核架构，ARM选用STM32F103ZET6芯片，FPGA选用EP4CE10F17C8芯片，通讯模块6选用TD301D485芯片，显示模块7选用LCD12864，存储模块8选用W25Q64芯片，地址设置模块9选用拨码开关，数据采集模块10选用ADS1256芯片，电流设置模块11和温度设置模块12选用DAC8501芯片。
进一步地，所述的驱动板3为PCB电路板，电流输出模块14选用恒流激光驱动芯片ATLS2A201D，TEC驱动模块15为高效TEC控制芯片TEC5V4A-D。
进一步地，所述AC-DC电源模块4为开关电源或DC-DC电源芯片。
进一步地，所述主控模块5中采用的算法为遗传算法优化的PID控制算法。
进一步地，所述主控模块5采用基于嵌入式实时操作系统和Verilog语言开发，所述嵌入式实时操作系统为μCOS-III。
本发明的另一目的在于提供一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统的驱动方法，具体步骤如下：
1)通电之后，主控模块5读取数据采集模块10的ID，确认无误后进行数据采集模块10的零点漂移校正，然后采集电流设置模块11和温度设置模块12的参考电压，进行硬件自检；
2)通过人机交互模块1或矩阵键盘13输入驱动板3的输出电流值和泵浦源激光器的工作温度值；进行限幅检测并确认无误之后，主控模块5根据用户输入数据控制电流设置模块11和温度设置模块12，输出控制电压到电流输出模块14和TEC驱动模块15，电流输出模块14和TEC驱动模块15为泵浦源激光器提供驱动电流和温度控制；
3)通过遗传算法分别对增量式PID算法的参数比例、积分、微分系数KP、Ki、Kd进行整定；
首先，将比例、积分、微分三个参数的取值区间确定为：KP∈[0,1]，Ki∈[0,0.1]，Kd∈[0,5]；其次，依据参数区间初始化种群，并根据ARM性能将种群数量设置为50，然后使用适应度函数对种群个体进行筛选；其中，所述适应度函数的表达式为：
Figure BDA0002930677120000031
其中，σ为超调量，tr为上升时间，e为设定值与实际值的误差，φ为加权值，取值区间为[0,1]，J为个体适应度，J越小代表个体适应度能力越强；将个体适应度从大到小依次排序，淘汰概率设置为50％，未被淘汰的个体进行概率为α的随机交叉，由个体p，q产生新个体y的算法为：
Figure BDA0002930677120000032
最后设置变异概率为β，对新个体y有：
Figure BDA0002930677120000033
完成选择交叉变异操作之后，再次计算个体的适应度；当进化的次数达到最大迭代次数时，停止整定寻优过程，否则继续进行选择交叉变异操作，直至得到全局最优参数KP、Ki、Kd；
4)通过数据采集模块10连续采集驱动板3的实际输出电流值和泵浦源激光器的温度值，并反馈到主控模块5，计算每次采样值与设置值的差值，进行增量式PID计算：
ΔOUT＝OUTk-OUTk-1＝KP×(Ek-Ek-1)+Ki×Ek+Kd×(Ek-2Ek-1+Ek-2)
其中，KP、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数，Ek、Ek-1为本次和上次偏差，OUTk、OUTk-1为本次和上次输出结果，ΔOUT为电流设置模块11和温度设置模块12下次的输出控制值的增量，将驱动板3的输出电流值和泵浦源激光器的温度值稳定在用户设置值；
5)主控模块5检测驱动板3的电流输出模块14和TEC驱动模块15的输出状态，若驱动回路出现短路或断路，人机交互模块1显示报警信息；
6)通过存储模块8存储历史电流值和温度值，以供后续其他应用所需。
与现有技术相比，本发明有如下优点：
本发明的驱动系统硬件采用交互、控制和驱动分开的模块化设计方案，降低硬件的耦合度以改善目前商用电源可集成度差的缺点，同时也隔离了发热源以方便系统的热管理。控制板主控模块采用ARM和FPGA的双核架构，降低了单主控方案引脚数量和算力不足的限制，可同时控制五路驱动板。人机交互模块带有RS485串行通讯接口，可实现连接多控制板组网以控制更多通道的驱动板，极大改善了目前市场上商用电源灵活性差的缺点。驱动板采用数字化的驱动芯片，改善了传统模拟式驱动电路精度和稳定度低、体积大的问题。软件基于μCOS-III嵌入式实时操作系统开发，相较于传统的轮询系统和前后台系统，具有高实时性和扩展性。输出校正部分采用遗传算法优化的增量式PID算法，减少了系统的超调量和到达动态平衡的时间，改善了传统PID算法计算量大、内存占用多、积分过冲以及参数整定困难的弊端。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为本发明的控制板实物图；
图3为本发明的驱动板实物图；
图4为本发明的在集成到1.5μm飞秒光纤激光器中驱动五路半导体激光器作为泵浦源时驱动系统的输出电流-时间关系曲线图；
图5为本发明的在集成到1.5μm飞秒光纤激光器中驱动五路半导体激光器作为泵浦源时泵浦源激光器的温度-时间关系曲线图；
图6为本发明的在集成到1.5μm飞秒光纤激光器中驱动五路半导体激光器作为泵浦源时光纤激光器的输出功率-时间关系曲线图；
图中：人机交互模块1、控制板2、驱动板3、AC-DC电源模块4、主控模块5、通讯模块6、显示模块7、存储模块8、地址设置模块9、数据采集模块10、电流设置模块11、温度设置模块12、矩阵键盘13、电流输出模块14、TEC驱动模块15、485通讯接口16、控制接口17。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统及其实现方法，其特征在于，整个系统包括：人机交互模块1，控制板2，驱动板3，AC-DC电源模块4。控制板2上集成了：主控模块5，通讯模块6，显示模块7，存储模块8，地址设置模块9，数据采集模块10，电流设置模块11，温度设置模块12，矩阵键盘13。驱动板3上集成了：电流输出模块14，TEC驱动模块15。所述的人机交互模块1通过485通讯接口16与控制板2相连，驱动板3通过控制接口17与控制板2相连，AC-DC电源模块4与人机交互模块1、控制板2及驱动板3相连。驱动系统主控模块程序基于嵌入式实时操作系统和Verilog语言开发；人机交互模块1和控制板2上的矩阵键盘13用于用户输入数据；主控模块5接收到用户输入数据之后，针对不同的输出电流和温度控制要求，主控模块5控制电流设置模块11和温度设置模块12输出控制电压到电流输出模块11和TEC驱动模块15，电流输出模块11和TEC驱动模块15为泵浦源激光器提供驱动电流和温度控制，数据采集模块10采集当前实际电流值和温度值，反馈到主控模块5进行算法校正，存储模块8用来存储电流和温度的历史数据。人机交互模块1和控制板2上的显示模块7，用于显示设置的电流值、温度值以及当前的电流值和温度值。通过地址设置模块9设置控制板2为不同的地址，用于完成485接口下的控制板2组网，理论上控制板2范围值为1～256块，可控制5～1280驱动板3。若主控模块5检测到驱动回路短路或断路，系统关闭输出，人机交互模块1显示报警信息。
进一步地，所述的人机交互模块1是带有RS485串行通讯接口的电脑或工控屏。
进一步地，所述的控制板2为PCB电路板，主控模块5为ARM和FPGA的双核架构，ARM选用STM32F103ZET6芯片，FPGA选用EP4CE10F17C8芯片，通讯模块6选用TD301D485芯片，显示模块7选用LCD12864，存储模块8选用W25Q64芯片，地址设置模块9选用拨码开关，数据采集模块10选用ADS1256芯片，电流设置模块11和温度设置模块12选用DAC8501芯片。
进一步地，所述的驱动板3为PCB电路板，电流输出模块14选用恒流激光驱动芯片ATLS2A201D，TEC驱动模块15为高效TEC控制芯片TEC5V4A-D。
进一步地，所述AC-DC电源模块4为开关电源和DC-DC电源芯片。
进一步地，所述的嵌入式实时操作系统为μCOS-III。
进一步地，所述的算法为遗传算法优化的PID控制算法。
本发明的另一目的在于提供了的驱动方法，具体实现步骤如下：
1)上电之后，主控模块读取数据采集模块10的ID，确认无误后进行数据采集模块的零点漂移校正，然后采集电流设置模块3和温度设置模块15的参考电压，进行硬件自检。
2)通过人机交互模块1或矩阵键盘13输入每个驱动板3的输出电流值和泵浦源激光器的工作温度值。进行限幅检测并确认无误之后，主控模块5根据用户输入数据控制电流设置模块11和温度设置模块12，输出控制电压到电流输出模块14和TEC驱动模块15，电流输出模块14和TEC驱动模块15为泵浦源激光器提供驱动电流和温度控制。
3)通过遗传算法对增量式PID算法的参数KP、Ki、Kd进行整定。首先，将比例、积分、微分三个参数的取值区间确定为：KP∈[0,1]，Ki∈[0,0.1]，Kd∈[0,5]；其次依据参数区间初始化种群，并根据ARM性能将种群数量设置为50，然后使用适应度函数对种群个体进行筛选。适应度函数的表达式为：
Figure BDA0002930677120000071
其中，J为个体适应度，J越小代表个体适应度能力越强；φ为加权值，取值区间为[0,1]。将个体适应度从大到小依次排序，淘汰概率设置为50％，未被淘汰的个体进行概率为α的随机交叉，由个体p，q产生新个体y的算法为：
Figure BDA0002930677120000072
最后设置变异概率为β，对个体y有：
Figure BDA0002930677120000073
完成选择交叉变异操作之后，再次计算个体的适应度。当进化的次数达到最大迭代次数时，停止整定寻优过程，否则继续进行选择交叉变异操作，直至得到全局最优参数KP、Ki、Kd。
4)通过数据采集模块10连续采集驱动板3的实际输出电流值和泵浦源激光器的温度值，并反馈到主控模块5，计算每次采样值与设置值的差值，进行增量式PID计算：
ΔOUT＝OUTk-OUTk-1＝KP×(Ek-Ek-1)+Ki×Ek+Kd×(Ek-2Ek-1+Ek-2)
其中，KP、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数，Ek、Ek-1为本次和上次偏差，OUTk、OUTk-1为本次和上次输出结果，ΔOUT为电流设置模块11和温度设置模块12下次的输出控制值的增量，将驱动板3的输出电流值和泵浦源激光器温度值稳定在用户设置值。
5)主控模块5检测驱动板3的电流输出模块14和TEC驱动模块15的输出状态，若驱动回路出现短路或断路，人机交互模块1显示报警信息。
6)通过存储模块8存储历史电流值和温度值。
如图2本发明的控制板实物图所示，尺寸为10×9cm2，可控制五路驱动板，主要负责电流、温度的设置，数据的处理、显示及存储，485通讯，串口通讯等功能。
如图3本发明的驱动板实物图所示，尺寸为8×6cm2，可便捷的集成到光纤激光器中，主要负责输出驱动电流和对半导体激光器的温度控制，可选择与控制板的连接数量，并可选择并联以提高驱动电流值。
将此系统应用于1.5μm飞秒光纤激光器中驱动半导体激光器作为泵浦源时，可以同时为五路半导体激光器提供高精度、高稳定度、高灵活性的恒温控制和恒流驱动，每5分钟一次持续记录300min电流、温度和激光器输出功率，持续3h。图4为本发明的在集成到1.5μm飞秒光纤激光器中驱动五路半导体激光器作为泵浦源时驱动系统输出电流-时间关系曲线图，图5为本发明的在集成到1.5μm飞秒光纤激光器中驱动五路半导体激光器作为泵浦源时泵浦源激光器的温度-时间关系曲线图。图6为本发明的在集成到1.5μm飞秒光纤激光器中驱动五路半导体激光器作为泵浦源时光纤激光器的输出功率-时间关系曲线图，通过稳定度计算公式：
Figure BDA0002930677120000081
计算得驱动系统输出电流稳定度分别为0.001％，0.0009％，0.0005％，0.0005％，0.0006％，泵浦源激光器温度稳定度分别为0.032％，0.031％，0.034％，0.033％，0.035％，光纤激光器输出功率稳定度为0.16％。可以看出，整个测试过程，驱动系统电流曲线输出平滑，泵浦源激光器工作温度、光纤激光器输出功率曲线无毛刺，证实了本发明的性能。国内的泵浦源激光器稳定性普遍在0.1％～1％之间，本发明能够满足使用需求。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统，其特征在于，包括人机交互模块(1)、控制板(2)、驱动板(3)及AC-DC电源模块(4)；所述人机交互模块(1)通过485通讯接口(16)与控制板(2)相连，驱动板(3)通过控制接口(17)与控制板(2)相连，AC-DC电源模块(4)分别与人机交互模块(1)、控制板(2)及驱动板(3)相连；
所述控制板(2)上集成有主控模块(5)、通讯模块(6)、显示模块(7)、存储模块(8)、地址设置模块(9)、数据采集模块(10)、电流设置模块(11)、温度设置模块(12)及矩阵键盘(13)；
所述驱动板(3)上集成有电流输出模块(14)及TEC驱动模块(15)；
所述人机交互模块(1)和控制板(2)上的矩阵键盘(13)用于用户输入数据；通讯模块(6)实现TTL电平和RS-485电平之间的转换，用于人机交互模块(1)和控制板(2)之间的通讯；主控模块(5)接收到用户输入数据之后，针对不同的输出电流和温度控制要求，主控模块(5)控制电流设置模块(11)和温度设置模块(12)输出电压控制电流输出模块(14)和TEC驱动模块(15)，电流输出模块(14)和TEC驱动模块(15)为泵浦源激光器提供驱动电流和温度控制，数据采集模块(10)采集当前实际电流值和温度值，反馈到主控模块(5)进行算法校正，存储模块(8)用于存储电流和温度的历史数据；人机交互模块(1)和控制板(2)上的显示模块(7)，用于显示设置的电流值、温度值以及当前的电流值和温度值；通过地址设置模块(9)设置控制板(2)为不同的地址，用于完成485接口(16)下的控制板(2)组网，理论上控制板(2)数量范围值为1～256块，可控制5～1280块驱动板(3)。
2.如权利要求1所述的一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统，其特征在于，所述人机交互模块(1)是带有RS485串行通讯接口的电脑或工控屏。
3.如权利要求1所述的一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统，其特征在于，所述控制板(2)为PCB电路板，主控模块(5)为ARM和FPGA的双核架构，ARM选用STM32F103ZET6芯片，FPGA选用EP4CE10F17C8芯片，通讯模块(6)选用TD301D485芯片，显示模块(7)选用LCD12864，存储模块(8)选用W25Q64芯片，地址设置模块(9)选用拨码开关，数据采集模块(10)选用ADS1256芯片，电流设置模块(11)和温度设置模块(12)选用DAC8501芯片。
4.如权利要求1所述的一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统，其特征在于，所述的驱动板(3)为PCB电路板，电流输出模块(14)选用恒流激光驱动芯片ATLS2A201D，TEC驱动模块(15)为高效TEC控制芯片TEC5V4A-D。
5.如权利要求1所述的一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统，其特征在于，所述AC-DC电源模块(4)为开关电源或DC-DC电源芯片。
6.如权利要求1所述的一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统，其特征在于，所述主控模块(5)中采用的算法为遗传算法优化的PID控制算法。
7.如权利要求1所述的一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统，其特征在于，所述主控模块(5)采用基于嵌入式实时操作系统和Verilog语言开发，所述嵌入式实时操作系统为μCOS-III。
8.如权利要求1所述的一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统的驱动方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)通电之后，主控模块(5)读取数据采集模块(10)的ID，确认无误后进行数据采集模块(10)的零点漂移校正，然后采集电流设置模块(11)和温度设置模块(12)的参考电压，进行硬件自检；
2)通过人机交互模块(1)或矩阵键盘(13)输入驱动板(3)的输出电流值和泵浦源激光器的工作温度值；进行限幅检测并确认无误之后，主控模块(5)根据用户输入数据控制电流设置模块(11)和温度设置模块(12)，输出控制电压到电流输出模块(14)和TEC驱动模块(15)，电流输出模块(14)和TEC驱动模块(15)为泵浦源激光器提供驱动电流和温度控制；
3)通过遗传算法分别对增量式PID算法的参数比例、积分、微分系数KP、Ki、Kd进行整定；
首先，将比例、积分、微分三个参数的取值区间确定为：KP∈[0,1]，Ki∈[0,0.1]，Kd∈[0,5]；其次，依据参数区间初始化种群，并根据ARM性能将种群数量设置为50，然后使用适应度函数对种群个体进行筛选；其中，所述适应度函数的表达式为：
Figure FDA0002930677110000021
其中，σ为超调量，tr为上升时间，e为设定值与实际值的误差，
Figure FDA0002930677110000022
为加权值，取值区间为[0,1]，J为个体适应度，J越小代表个体适应度能力越强；将个体适应度从大到小依次排序，淘汰概率设置为50％，未被淘汰的个体进行概率为α的随机交叉，由个体p，q产生新个体y的算法为：
Figure FDA0002930677110000031
最后设置变异概率为β，对新个体y有：
Figure FDA0002930677110000032
完成选择交叉变异操作之后，再次计算个体的适应度；当进化的次数达到最大迭代次数时，停止整定寻优过程，否则继续进行选择交叉变异操作，直至得到全局最优参数KP、Ki、Kd；
4)通过数据采集模块(10)连续采集驱动板(3)的实际输出电流值和泵浦源激光器的温度值，并反馈到主控模块(5)，计算每次采样值与设置值的差值，进行增量式PID计算：
ΔOUT＝OUTk-OUTk-1＝KP×(Ek-Ek-1)+Ki×Ek+Kd×(Ek-2Ek-1+Ek-2)
其中，KP、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数，Ek、Ek-1为本次和上次偏差，OUTk、OUTk-1为本次和上次输出结果，ΔOUT为电流设置模块(11)和温度设置模块(12)下次的输出控制值的增量，将驱动板(3)的输出电流值和泵浦源激光器的温度值稳定在用户设置值；
5)主控模块(5)检测驱动板(3)的电流输出模块(14)和TEC驱动模块(15)的输出状态，若驱动回路出现短路或断路，人机交互模块(1)显示报警信息；
6)通过存储模块(8)存储历史电流值和温度值，以供后续其他应用所需。
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